CN103086273B - 被动驱动的制动系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种运动系统，包括导轨、行车和制动系统。行车可移动地附接到导轨并构造成支撑载重。该制动系统操作地附接到导轨。制动系统包括制动模块，其具有操作地附接到行车的基座和操作地附接到基座的轮组件。轮组件具有轴、离合器和制动轮。离合器刚性地附接到所述轴，并构造成与所述轴一起绕着滚动轴线旋转。制动轮径向地围绕离合器并且与导轨的表面持续地滚动接触。离合器构造成选择性地允许制动轮相对于所述轴仅沿一个旋转方向旋转，以使行车沿着导轨的移动减速。

Description

被动驱动的制动系统

技术领域

本公开涉及一种用于移动载重(payload)的被动驱动的制动系统。

背景技术

架空桥式起重机广泛地用于提升和重定位较大的载重。一般地，拾取和放置操作中的移位涉及三个平移自由度和沿着竖直轴的旋转自由度。这组运动称为具有选择顺应性装配机器人臂(SCARA)运动或“熊夫利斯运动，其广泛地用于工业中。桥式起重机允许沿着两个水平轴运动。通过合适的接头，其可以增加竖直轴的平移和竖直轴的旋转。通过在固定的导轨上移动桥获得了沿着水平轴的第一运动，而通过沿着桥垂直于固定导轨的方向移动行车(trolley)获得了沿着第二水平轴的运动。使用竖直滑动接头或通过使用带获得了沿着竖直轴的平移。通过使用与竖直轴的旋转枢接获得了沿着竖直轴的旋转。

发明内容

一种运动系统(movement system)构造成用于移动载重。所述运动系统包括导轨、行车和制动系统。行车可移动地附接到所述导轨，并构造成支撑所述载重。制动系统操作地附接到所述导轨。所述制动系统包括制动模块，该制动模块包括操作地附接到所述行车的基座和操作地附接到所述基座的轮组件。所述轮组件具有轴、离合器和制动轮。所述轴可旋转地附接到所述基座，并且构造成相对于所述基座绕着滚动轴线旋转。所述离合器刚性地附接到所述轴，并且构造成与所述轴一起绕着所述滚动轴线旋转。所述制动轮轴向地围绕所述离合器，并且与所述导轨的表面持续地滚动接触。所述离合器构造成选择性地允许所述制动轮相对于所述轴仅沿一个旋转方向旋转，以使所述行车沿着导轨的移动减速。

另一个方面，一种运动系统构造成用于移动载重。所述运动系统包括一对导轨、桥式起重机、行车、手柄、第一制动模块和第二制动模块。所述对导轨彼此间隔开并大致彼此平行地延伸。所述桥式起重机操作地附接到所述对导轨，并能够沿着所述对导轨沿着X轴移动。所述行车操作地附接到所述桥式起重机，并能够沿着所述桥式起重机沿着Y轴移动。所述手柄从所述行车枢转地延伸。线缆操作地使所述手柄和所述第一和第二制动模块中的每个制动模块互连。所述第一制动模块操作地附接到所述桥式起重机，并构造成响应所述手柄相对于所述行车的枢转被所述线缆中的一根线缆选择性地作动，以使所述桥式起重机沿着X轴的移动减速。所述第二制动模块操作地附接到所述行车，并构造成响应所述手柄相对于所述行车的枢转被所述线缆中的另外一根线缆选择性地作动，以使所述行车沿着Y轴的移动减速。

制动模块包括基座和轮组件。轮组件包括制动轮、离合器、轴和盘式制动器。所述轴可旋转地附接到所述基座，并且构造成用于绕着滚动轴线旋转。所述制动轮和离合器刚性地附接到所述轴，并构造成用于和所述轴一起绕着滚动轴线旋转。所述制动轮轴向地围绕所述离合器，并构造成用于与一表面持续地滚动接触。所述盘式制动器包括制动盘和制动器。所述制动盘刚性地附接到所述轴，并构造成与所述轴一起绕着滚动轴线旋转。所述制动器操作地附接到所述基座，并构造成施加制动动作到所述制动盘上，以响应制动命令使所述制动盘停止旋转。所述离合器构造成，当响应制动器的启动所述轴绕滚动轴线的旋转被停止时，所述制动轮能够沿第一方向旋转，并且被阻止沿相反于第一方向的第二方向相对于所述滚动轴线旋转。所述离合器构造成，当所述制动器没有启动时，所述轴绕着所述滚动轴线的旋转没有被所述制动器停止，并且所述制动轮能够沿第一方向和第二方向旋转。

当结合附图时根据以下实施本技术的最佳方式的详细描述，本技术的以上特征和优点以及其它特征和优点变得容易理解。

附图说明

图1为包括制动系统的运动系统的示意透视图，该制动系统包括由支撑结构可移动地支撑的多个制动模块；

图2为运动系统的示意侧视图；

图3为制动系统的制动模块的示意性的局部横截面视图；

图4为图1的制动系统的手柄组件和线缆组件的示意性透视图；

图5为图1的制动模块的示意性透视图；

图6为图5的制动模块的受力图的示意性侧视概略图（diametric view）；

图7为制动系统的另外一个实施例的示意性侧视图；

图8为制动系统的另外一个实施例的示意性侧视图；

图9为图1的另外一个制动模块的示意性透视图；

图10为图9的制动模块的电路的示意概略图。

具体实施方式

参考附图，其中相同的附图标记表示相同的部件，图1中10处所示的运动系统10构造成用于沿多个方向移动载重12。运动系统10安装到固定的支撑结构14，该支撑结构构造成支撑运动系统10和载重12。支撑结构14包括但不限于一对平行的导轨16或轨道。

参考图1和图2，运动系统10包括桥式起重机18、行车（trolley）20和制动系统22。桥式起重机18为包括一对梁30的结构，其中所述梁30横跨上述对平行的导轨16。桥式起重机18适于沿着X轴24搬运载重12。行车20可移动地附接到桥式起重机18的梁30，使得行车20适于沿着Y轴26搬运载重12，Y轴26大致垂直于X轴24。装载机可以由该框架支撑，并且构造成附接到例如行车20、末端操作器、载重12等的负载。

如以下将要更加详细描述的，制动系统22操作地附接到桥式起重机18和行车20中的至少一个。使用运动系统10手动操纵的载重12可以非常重。载重12的减速特别重要。确实，在载重12可能与环境碰撞的情况下，使较重的载重12快速地停止可能非常困难。制动系统22可以构造成辅助载重12的减速。此外，制动系统22可以减小操作者施加的力以使载重12减速。制动系统22包括制动模块28、手柄32和线缆34。模块28可以操作地附接到桥式起重机18和/或行车20，以选择性地停止桥式起重机18和/或行车20沿着相应的X轴24和Y轴26的移动。

参考图2和图3，模块28包括至少一个轮组件36和基座38。每个轮组件36包括制动轮40、离合器42、轴44、制动盘46和制动器48。基座38选择性地附接到桥式起重机18或行车20。轴44可旋转地附接至基座38，并且构造成用于绕着滚动轴线50旋转。制动轮40和离合器42刚性地附接到轴44，并构造成用于和轴44一起绕着滚动轴线50旋转。制动轮40径向地围绕离合器42。制动轮40与相应的梁30或导轨16的表面52持续的滚动接触。离合器42构造成允许仅沿一个方向在制动轮40和轴44之间旋转。制动器48可以是旋转制动器48，例如盘式制动器48，其构造成经由离合器42施加制动动作到相应的制动轮40上。如果经由制动命令启动制动器48，那么制动盘46停止旋转。通过拉动或拉紧相应的线缆34的制动命令，制动器48被启动。

线缆34的张紧启动了相应的制动器48，其转而接合制动盘46，使轴44停止绕着滚动轴线50旋转。当轴44绕着滚动轴线50的旋转被停止时，仍然允许制动轮40相对于离合器42绕着滚动轴线50沿第一方向旋转，然而防止其沿相反于第一方向的第二方向旋转。相反地，当制动器48没有被启动时，制动轮40和轴44一起绕着滚动轴线50沿第二方向旋转，同时仍然能够绕着滚动轴线50沿第一方向旋转。因此，离合器42构造成允许制动轮40沿第一方向自由运动，并且构造成当施加力62到相应的线缆34引起制动器48制动时，制动轮被减速或被阻止沿第二方向运动。

每个模块28可以包括两个轮组件36，即第一轮组件36a和第二轮组件36b，如图1、图2和图5所示，第一轮组件36a和第二轮组件36b操作地设置在基座38上且彼此间隔开。每个轮组件36可以构造为，每个离合器42允许绕着各自的滚动轴线50沿彼此相反的方向旋转。更具体地，第一轮组件36a的制动轮40沿第一方向的旋转可以是顺时针方向，而第二轮组件36b的制动轮40沿第一方向的旋转可以是逆时针方向。此外，每个轮组件36的制动器48将操作地连接到各自的线缆34，其使得两个轮组件36独立地作动。

制动系统22允许沿着X轴24(桥式起重机18)和/或Y轴26(行车20)的制动动作，以使行车20和/或梁30沿各自的移动方向的移动减慢或停止。制动动作由制动模块28来施加。线缆34可以滑动地设置在软管中。更具体地，操作者可以沿相反于行车20或桥式起重机18的移动方向的期望方向施加力62到手柄32，以减速或停止移动。沿着X轴24的制动动作使桥和桥式起重机18支撑的部件一起停止或减速。为了获得长桥式起重机18的对称制动动作，可以包括两个制动模块28，每一个导轨16上有一个制动模块。如图1所示，借助于线缆系统54可以由手柄32同时地启动制动模块28。相似地，沿着Y轴26的制动动作使行车20和行车20支撑的部件停止或减速。如果行车20不是非常大，可以仅需要一个制动模块28。然而，如果行车20较长或者期望对称的制动动作，那么可以包括两个制动模块28，每一个梁30上有一个制动模块。经由线缆系统54由制动手柄32启动制动模块28。线缆系统54包括多根线缆34。

参考图1、图2和图4，手柄32可以在旋转接头56处枢转地附接到行车20。旋转接头56可以允许相对于行车20绕着单个的轴或两个轴58运动，其中该两个轴58可以彼此垂直。此外，轴58中的每个可以平行于对应的X轴24和Y轴26延伸。旋转接头56也可以是万向接头(Hooke joint)60、球座接头等。线缆34操作地互连手柄32和相应的轮组件36的制动器48。如果通过使手柄32关于旋转接头56绕着对应于X轴24或Y轴26的轴活动，拉紧相应的模块28的相应的线缆34，制动器48被作动。

图1、图2和图4所示的手柄32允许施加沿着X轴24和/或Y轴26的力62即“制动动作”。手柄32由万向接头60支撑，该万向接头允许沿着垂直的轴58的两个独立的旋转运动。当沿给定方向即对应于X轴24或Y轴26的方向推手柄32时，选择性地拉动(拉紧)附接到手柄32的线缆34，这启动了对应的模块28的至少一个对应的制动器48。万向接头60构造成可以沿X-Y平面内的任意方向推手柄32，该X-Y平面为X轴24和Y轴26相交限定的平面。因此，总的制动动作可以是沿着X轴24和Y轴26的制动的任意组合。对于沿着X轴24的制动动作来说，线缆34可以操作地连接到滑轮66或环绕该滑轮布置路线，如图1和图4所示。这样布置线缆34的路线有两个目的。第一目的是，因为手柄32相对于控制沿着X轴24运动的制动模块28运动，所以，线缆34环绕滑轮66布置路线使得沿X轴24方向的制动动作独立于沿着Y轴26运动的位置。第二个目的是，因为可以由手柄32同时地操作两个制动器48，所以滑轮66构造成将来自手柄32的力62分配到两个制动器48中的每个制动器。为了避免手柄32沿着Z轴27即相对于地面的竖直方向运动，手柄32固定到行车20。对于沿着Y轴26的制动来说，因为仅有一个Y轴26制动模块28，并且因为该制动模块28与手柄32一起行进(两者都固定到行车20)，线缆34可以直接地附接到手柄32。

参考图1，制动系统22构造成用于沿着X轴24和/或Y轴26运动。制动系统22包括基座38和两个制动模块28。每个制动模块28的轴44操作地附接到基座38，并构造成环绕各自的滚动轴线50旋转。每个制动模块28包括位于单个轴的44上彼此间隔开的一对制动轮40，使得该对制动器48轮绕着相同的滚动轴线50旋转。参考图6，在螺钉和压缩弹簧的作用下，制动轮40施加压力68到梁30或导轨16的表面52上。该螺钉允许调节梁30或导轨16的表面52上的压力68。而且，压缩弹簧72有助于调节压力68，并且当制动轮40沿着梁30或导轨16的表面52滚动时，可以保持一致的压力68作用在梁30或导轨16的表面52上。最后，基座38构造成当发生制动时允许制动轮40和梁30或导轨16的表面52之间的压力68增大。因此，可以在制动轮40和梁30或导轨16的表面52之间保持较小的自由运转压力68和期望的制动压力68。实际上，由于系统的几何结构，切向力引起了附加的法向力。再次参考图6，F为切向力，N为法向力，S为压缩弹簧72施加的力。此外，μ为摩擦系数。制动轮40和梁30或导轨16的表面52之间没有滑动时，最大的切向力可以计算为：

$F=\frac{{\mathrm{Sl}}_2}{\frac{l_1}{\mathrm{\μ}}-h}$

比较感兴趣的是该几何结构的增加可用制动力，不过最大制动力不应超过滚动轴线50能够承受的力。例如，假定l₁=l₂=μ=1，那么

$F=\frac{S}{1-h}---\left(3.2\right)$

期望h位于0到1之间。例如，建议h=0.5。结果，F=2S。

如果制动模块28没有与梁30或导轨16的表面52准确地对齐，那么制动系统22还可以包括竖直的滚轮37，如图5所示。竖直的滚轮37可以从基座38延伸，并绕着对齐轴39旋转。对齐轴39可以大体上垂直于滚动轴线50。竖直的滚轮37可以构造成在梁30或导轨16的表面52之间限定的通道41内延伸。

参考图9，应当意识到，电缆34还可以用于替代机械的线缆34。依据施加到制动手柄32上的力，调整电缆34中的电压/电流。手柄32的刚度(stiffness)可以调节，以获得与手柄32处所施加的力成比例的位移。电位计可以用于根据手柄32的位移来调整电压/电流。更具体地，线缆34可以操作地连接到制动模块28的马达74。马达74可以可旋转地连接到第一组滑轮76和轮组件36中的一个。因此，当轮组件36的轮40沿着相应的导轨16或梁30的表面52旋转时，第一组滑轮76旋转，并且轮40的旋转也旋转马达74。第一组滑轮76经由第一带78彼此可旋转地连接。第一组滑轮76中的一个滑轮经由驱动轴81可旋转地连接到第二组滑轮80中的一个滑轮。第二组滑轮80经由第二带82彼此可旋转地连接。第三组滑轮84经由第三带86彼此可旋转地连接。第三组滑轮84中的一个滑轮可旋转地连接到另一个轮组件36。第四带88可旋转地连接第二组滑轮80中的一个滑轮和第三组滑轮84中的一个滑轮，并用作将一个制动模块28的制动力传递到另一个制动模块28的正时带(timing belt)。因而，轮组件36的旋转使马达74旋转。因为要求的制动动作与施加到手柄32上的力成比例，所以要求的电子器件将不需要控制硬件。

通过电缆34的传输更加灵活，并且不会被机械效率改变。依据施加到制动手柄32上的力，调整电缆34中的电压/电流。手柄32的刚度能够调节，以获得与所施加的力成比例的位移。这样，电位计可以用于根据它们的位移来调整电压/电流。电马达74的反电动势(back-emf)电压可以用于制动行车20。组合有线缆34的手柄32可以用于控制通过马达74的反电动势电流的大小，并因而控制制动模块28的制动力。在一个实施例中，可以使用电二极管。依据反电动势电流的方向，电二极管将让电流通过或不通过，其确定制动系统22是否施加制动力。在另一个实施例中，编码器和双D型触发器芯片可以用于确定无源系统(passive system)的方向。一旦获知了电流的方向，将该方向与来自力传感器的信号相比较，以确定系统应该被制动的程度。

现在参考图7，制动系统22包括制动模块28，该制动模块28包括至少一个轮组件36和支撑轮组件36的基座38。轮组件36包括制动轮40，制动轮40与相应的梁30或导轨16的表面52持续地滚动接触。行车20延伸至构造成被操作者抓住的把手(grip)90。手柄32在枢轴92处枢转地附接到把手90。线缆34操作地延伸在手柄32和模块28之间。通过推或拉把手90或行车20的任意其它部分，行车20在沿着相应的导轨16或梁30的运动94的方向上移动。在该实施例中，制动模块28不包括离合器。操作者通过施加力F到手柄32使得手柄32向着把手90绕枢轴92枢转，从而使行车20的运动94停止或减速。手柄32向着把手90枢转拉动了线缆34，致使线缆34作用在轮组件36上，从而使轮组件36的旋转停止或减速。因此，这允许操作者有意识地运用或操作制动系统22。应当意识到，如果希望在X方向和Y方向两个方向同时地制动制动系统22，制动模块28可以附接到X轴24和Y轴26中的每个，并且线缆34附接到单个的手柄32。然而，如果希望独立于Y方向在X方向上运用制动系统22，则两个手柄32可以附接到制动模块28，其中每个专门用于相应的X轴24和Y轴26，或者是具有两个自由度的单个手柄32。

在图8所示的另一个制动系统22中，制动模块28和手柄32固定到一起，并且在制动枢轴92处枢转地附接到行车20。轮组件36设置在制动模块28的相反的端部处，使得制动枢轴92设置在轮组件36之间。轮组件36包括制动轮40，其径向地围绕单向离合器42。单向离合器刚性地附接到轴44，该轴44刚性地附接到制动模块28。推动手柄致使制动模块28沿推的方向绕制动枢轴92枢转。制动模块28绕制动枢轴92枢转，直到与推的方向相反的轮组件36接触相应的梁30或导轨16的表面52。如果沿着运动94的方向推，与梁30或导轨16的表面52接触的轮组件36的轮40与行车20一起沿着表面52滚动。为了给行车20减速，操作者沿与运动94的方向相反的方向推或拉手柄32。

尽管在前述实施例中载重12刚性地附接到行车20，不过载重12也可以通过悬挂的线缆93悬挂到手柄32。这在图8中已经示出。为了沿着相应的导轨16或梁30移动载重12，操作者直接推载重12。通过悬挂的线缆93的拉动，行车20(和桥式起重机18)被间接地推动并一起移动。推载重12还致使手柄32沿推的方向绕制动枢轴92枢转，这与操作者直接地推手柄32时所发生的类似。因此，相反于运动方向推载重12间接地启动了制动系统，以有助于使行车20和载重12减速。尽管图8的制动系统的上下文中示出了载重12和悬挂的线缆93，然而载重12和悬挂的线缆93也可以附接到图2所示的优选的制动系统的手柄28。

尽管已经详细描述了用于实施本公开的最佳方式，然而本公开相关的本领域技术人员将会认识到在所附权利要求范围内的用于实现本公开的各种替代设计和实施例。

相关申请的交叉引用

本申请要求2011年11月4日提交的美国临时申请No.61/555,812的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。

Claims (10)

1.一种构造成用于移动载重的运动系统，所述运动系统包括:

导轨；

行车，该行车可移动地附接到所述导轨，并构造成支撑所述载重；

制动系统，该制动系统操作地附接到所述导轨；

其中，所述制动系统包括制动模块，该制动模块包括操作地附接到所述行车的基座和操作地附接到所述基座的轮组件；

其中，所述轮组件具有轴、离合器和制动轮；

其中，所述轴可旋转地附接到所述基座，并构造成相对于所述基座绕着滚动轴线旋转；

其中，所述离合器刚性地附接到所述轴，并构造成与所述轴一起绕着所述滚动轴线旋转；

其中，所述制动轮轴向地围绕所述离合器，并且与所述导轨的表面持续地滚动接触；并且

其中，所述离合器构造成选择性地允许所述制动轮相对于所述轴仅沿一个旋转方向旋转，以使所述行车沿着导轨的移动减速。

2.如权利要求1所述的运动系统，所述轮组件还包括盘式制动器，所述盘式制动器构造成给所述制动轮选择性地施加制动动作。

3.如权利要求2所述的运动系统，其中所述盘式制动器包括:

制动盘，该制动盘刚性地附接到所述轴，并构造成与所述轴一起绕着所述滚动轴线旋转；和

制动器，该制动器操作地附接到所述基座，并构造成施加制动动作到所述制动盘上，以响应制动命令使所述制动盘停止旋转。

4.如权利要求3所述的运动系统，其中所述离合器构造成，当响应制动器的启动使所述轴停止绕着所述滚动轴线旋转时，所述制动轮能够沿第一方向旋转，并且被阻止沿相反于第一方向的第二方向相对于所述滚动轴线旋转；并且

其中所述离合器构造成，当所述制动器没有启动时，所述轴绕着所述滚动轴线的旋转没有被所述制动器停止，并且所述制动轮能够沿第一方向和第二方向旋转。

5.如权利要求4所述的运动系统，

其中，所述轮组件进一步限定为第一轮组件和第二轮组件；并且

其中，所述第一和第二轮组件操作地附接到所述基座并彼此间隔开，并且布置为所述第一轮组件的制动轮旋转的第一方向相反于所述第二轮组件的制动轮旋转的第一方向。

6.如权利要求5所述的运动系统，还包括从所述行车枢转地延伸的手柄，

其中，所述制动系统还包括操作地连接到所述制动器的线缆；

其中，所述制动命令进一步限定为张紧所述线缆，使得所述制动器被启动以使所述制动盘停止旋转；

其中，所述第一轮组件的线缆操作地附接在所述手柄和第一轮组件之间，所述第二轮组件的线缆操作地附接在所述手柄和第二轮组件之间；并且

其中，所述手柄构造成相对于所述行车相反于所述行车移动的方向枢转，以张紧与所述行车移动的方向相反的对应轮组件的线缆，使得所述盘式制动器被启动。

7.如权利要求6所述的运动系统，其中所述手柄在枢转接头处枢转地附接到所述行车。

8.如权利要求5所述的运动系统，还包括第一组滑轮、第二组滑轮和第三组滑轮，

其中，第一组滑轮经由第一带彼此可旋转地连接；

其中，驱动轴将所述第一组滑轮中的一个滑轮可旋转地连接到所述第二组滑轮中的一个滑轮；

其中，第二组滑轮经由第二带彼此可旋转地连接；

其中，第三组滑轮经由第三带彼此可旋转地连接；

其中，所述第二组滑轮中的滑轮经由第四带连接到所述第三组滑轮中一个滑轮；并且

其中，所述第四带构造成作为正时带进行操作，以从第一和第二制动模块中的一个制动模块传递制动力到第一和第二制动模块中另一个制动模块。

9.如权利要求8所述的运动系统，还包括：

马达，该马达操作地连接到所述行车；

手柄，该手柄操作地连接到所述行车；

线缆，该线缆操作地互连所述马达和所述手柄；

其中，所述手柄构造成接收操作者的、关于使所述行车沿着所述导轨的移动减速的输入；

其中，所述线缆构造成将所述输入传送到所述马达，使得所述马达使所述行车沿着导轨的移动减速。

10.一种构造成用于移动载重的运动系统，所述运动系统包括:

一对导轨，该对导轨彼此间隔开并大致彼此平行地延伸；

桥式起重机，该桥式起重机操作地附接到所述对导轨、并能够沿着所述对导轨沿着X轴移动；

行车，该行车操作地附接到所述桥式起重机、并能够沿着所述桥式起重机沿着Y轴移动；

手柄，该手柄从所述行车枢转地延伸；

第一制动模块和第二制动模块；

多根线缆，该多根线缆操作地将所述手柄和所述第一制动模块和第二制动模块中的每个制动模块互连；

其中，所述第一制动模块操作地附接到所述桥式起重机，并构造成响应所述手柄相对于所述行车的枢转而被所述线缆中的一根线缆选择性地作动，以使所述桥式起重机沿着X轴的移动减速；并且

其中，所述第二制动模块操作地附接到所述行车，并构造成响应所述手柄相对于所述行车的枢转被所述线缆中的另外一根线缆选择性地作动，以使所述行车沿着Y轴的移动减速。